管内机器人复合驱动机构设计方法与运动特性的研究

In order to realize the requirements of large traction,low energy consumption and stable operation that in-pipe robot locomote for a long distance in complex filling liquid medium environment, the composite driving method with motor drving and fluid medium pressure difference integrated is presented. The configuration design method to improve in-pipe robot driving ability in constraint space, the mechanics modeling method of in-pipe robot and filling liquid medium environment are researched. For multi-body system formed by in-pipe robot series structure in the limited space, establish dynamic model to study the factors that affect the speed stability. By analyzing the instability phenomenon for in-pipe robot steering motion in singular point, research motion planning of in-pipe robot steering in space, and address the corresponding control strategies to solve the dynamic instability problems in steering motion. To reduce energy consumption as the goal, research the influence for characteristics of in-pipe robot mechanism on wireless drive and self-contained energy distribution, providing the basis for selecting low energy mechanism. The research results can lay the theoretical basis for in-pipe robot adapt to apply in special environments and having a very important significance.

针对复杂充液介质环境下管内机器人长距离行走需要满足牵引力大、耗能低及运行稳定的要求，提出一种电驱与介质压差集成的复合驱动方法。研究约束空间提高驱动能力的管内机器人构形设计方法、管内机器人与充液介质环境的力学建模方法。以管内机器人串联结构形成受限空间内的多体系统为分析对象，建立动力学模型，研究影响速度稳定性的因素。通过分析转向运动奇异点失稳现象，研究管内机器人空间转向运动规划，并提出相应的控制策略，解决转向运行中的动态失稳问题。以降低能耗为目标，研究管内机器人机构特征对无缆驱动自载能源分配的影响，提供低耗能管内机器人机构的选择依据。研究成果可为管内机器人适应特殊环境下的应用奠定理论基础，具有十分重要的意义。

管道作为介质输送的一种高效率载体，受环境制约，常架设在空中或埋于地下。因其周围空间有限，且管道空间走向复杂，管径尺寸小，管内状态非结构化，给人工检修及维护带来了很大困难，因此一种可取代人工携带工具进行管内作业的管内移动机器人应运而生。为保证管内移动机器人顺利完成任务，其运行的灵活性、可靠性及安全性要求极高，特别是管内移动机器人实现长距离行走需要解决的关键技术问题仍制约着管道机器人的应用推广，有待于进一步研究。. 针对管内机器人应用于充液介质管内作业的特殊性，提出一种电驱动和介质压差驱动集成的复合驱动模式，研究复合驱动的机构集成设计方法和运动特性。通过建立基单元机构模型，揭示了管内机器人机构的组成机理，拓扑综合出管内机器人的常用机构形式，从而分析研究了基于基单元机构的构形设计方法及力学特性；结合管内机器人机构的结构组成特点，建立了分析管内机器人支撑调节机构的形封闭与力封闭的静态力模型；进而通过建立多单元链式管内机器人弯管内运动模型，分析了双虎克铰连接与差速特性对弯管内转向过程的影响；基于管内流体介质力学特性，建立了边界约束的皮碗驱动模型，并分析了其动压模态特性；进一步建立了管内液体流场模型，分析了管内机器人电驱动与流体驱动行为的耦合机制，研究了流场的时变特性及对复合驱动动态力学特性的影响规律；通过采用位姿矩阵描述方程建模，分析了管内机器人转向的动态失稳机理及影响因素；为实现管内机器人复合驱动有限能源的低能耗目标，建立了机器人机构设计的方案评价模型，提供了复合机构的选择依据。完成了相关实验研究工作，进行了理论验证。本项目的研究拓展了管内机器人研究的应用领域，研究成果为管内机器人集成驱动方式的研究提供一定的借鉴，具有重要的科学和工程价值。